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基本信息

項(xiàng)目名稱：
燃料電池用多嵌段型質(zhì)子交換膜
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
燃料電池是新一代的發(fā)電技術(shù)，質(zhì)子交換膜燃料電池是燃料電池的一種，而質(zhì)子交換膜是其核心部件之一。本小組運(yùn)用多嵌段共聚工藝,以分子剛性差異性較大且價(jià)格低廉的單體為主鏈剛性調(diào)控單元，制備了一種新型的主鏈剛?cè)嵝钥煽氐那抖涡途鄯济秧抠|(zhì)子交換膜。通過增加親水部分剛性和疏水部分柔性，形成了納米級(jí)親水-疏水微相分離結(jié)構(gòu)，提高了膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率、機(jī)械性能和穩(wěn)定性，可以成為一種理想的質(zhì)子交換膜材料。
詳細(xì)介紹：
燃料電池是繼核能發(fā)電之后的新一代發(fā)電技術(shù)，質(zhì)子交換膜燃料電池是燃料電池的一種，而質(zhì)子交換膜是其核心部件之一。本小組運(yùn)用多嵌段共聚工藝,以分子剛性差異性較大的單體為主鏈剛性調(diào)控單元（其中，六氟雙酚A為柔性單元、雙酚芴為剛性單元）,制備了一種新型的主鏈剛?cè)嵝钥煽氐那抖涡途鄯济秧抠|(zhì)子交換膜。通過增加親水部分剛性和疏水部分柔性，形成了納米級(jí)親水-疏水微相分離結(jié)構(gòu)，提高了質(zhì)子傳導(dǎo)率，同時(shí)也提高了質(zhì)子交換膜的機(jī)械性能和穩(wěn)定性。同無規(guī)共聚物相比，在相同離子交換容量(IEC)的情況下，嵌段共聚物在低水合的狀態(tài)下會(huì)具有更高的質(zhì)子傳導(dǎo)率；同時(shí)由于低溶脹性非磺化鏈段的存在，既限制了親水鏈段的溶脹，降低了甲醇的滲透；又具有良好的機(jī)械性能和穩(wěn)定性。本作品采用的原料均為工業(yè)用化工原料，便宜易得，從而大大降低了質(zhì)子交換膜的制備成本，其合成的膜成本為每平方米60元左右，僅為商業(yè)化全氟型Nafion112膜（DuPont公司）的市場(chǎng)價(jià)格的1.5%左右。

作品圖片

  • 燃料電池用多嵌段型質(zhì)子交換膜
  • 燃料電池用多嵌段型質(zhì)子交換膜
  • 燃料電池用多嵌段型質(zhì)子交換膜
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作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

作品設(shè)計(jì)目的：開發(fā)具有高質(zhì)子傳導(dǎo)率、高穩(wěn)定性及低成本的碳?xì)湎蒂|(zhì)子交換膜材料，以滿足質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的要求，特別適用于可移動(dòng)設(shè)備的PEMFC電源系統(tǒng)?；舅悸罚翰捎霉I(yè)級(jí)原料，通過控制聚合物的主鏈剛?cè)嵝?、運(yùn)用嵌段聚合工藝和溶液澆鑄法實(shí)現(xiàn)高質(zhì)子傳導(dǎo)率、高穩(wěn)定性及低成本的碳?xì)湎蒂|(zhì)子交換膜的制備。創(chuàng)新點(diǎn)：1）采用嵌段共聚工藝合成了一種主鏈剛?cè)嵝钥煽氐那抖涡突腔鄯济秧浚⊿PAES），并以此為原料通過溶液澆鑄法制備了SPAES質(zhì)子交換膜；2）采用的原料如六氟雙酚A、雙酚芴和4,4’-二氟二苯砜均為來源廣泛的工業(yè)級(jí)化工原料，3,3’-二磺酸鈉-4,4’-二氟二苯砜可通過常規(guī)的磺化工藝獲取，制備的質(zhì)子交換膜成本僅為商業(yè)化的Nafion112市場(chǎng)價(jià)格的1.5%。技術(shù)關(guān)鍵：1）通過多嵌段的手段實(shí)現(xiàn)了對(duì)聚合物主鏈的剛?cè)嵝钥刂疲?）應(yīng)用溶液澆鑄法制膜，形成厚度可控的致密薄膜。主要技術(shù)指標(biāo)：120℃，50%相對(duì)濕度時(shí)，質(zhì)子傳導(dǎo)率為225mS/cm；130℃、500小時(shí)水中加速老化實(shí)驗(yàn)后保持較高機(jī)械強(qiáng)度，失重率小于5%；成本每平方米60元左右。

科學(xué)性、先進(jìn)性

本作品的科學(xué)性先進(jìn)性以及技術(shù)上的突出表現(xiàn)為： 1）本作品運(yùn)用多嵌段共聚工藝，以分子剛?cè)嵝?、差異性較大的單體為主鏈剛?cè)嵝哉{(diào)控單元（其中六氟雙酚A為柔性單元、雙酚芴為剛性單元），通過兩步合成法，制備了一種新型的主鏈剛?cè)嵝钥煽氐亩嗲抖涡途鄯济秧抠|(zhì)子交換膜。通過增加親水部分的剛性以及疏水部分的柔性，使得所制備的質(zhì)子交換膜既形成了納米級(jí)親水-疏水微相分離結(jié)構(gòu)，提高了質(zhì)子傳導(dǎo)率，同時(shí)也提高了質(zhì)子交換膜的機(jī)械性能和穩(wěn)定性。 2）本作品采用的原料均為便宜易得的工業(yè)用化工原料，制備的膜每平方米成本為60元左右，僅為商業(yè)化全氟型Nafion112膜（DuPont公司）市場(chǎng)價(jià)格的1.5%左右。 3）本作品的質(zhì)子傳導(dǎo)率在120℃、相對(duì)濕度(RH)為50%的條件下達(dá)到225mS/cm，滿足美國(guó)能源部(DOE)2004-2015年研究規(guī)劃中大于100mS/cm的要求；同時(shí)在130℃水中的加速老化壽命超過500小時(shí)，實(shí)際適用溫度條件下預(yù)計(jì)可達(dá)10000小時(shí)（80℃）。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

無

作品所處階段

實(shí)驗(yàn)室階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

無

作品可展示的形式

■實(shí)物、產(chǎn)品 ■現(xiàn)場(chǎng)演示 ■圖片

使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

使用說明：按照使用要求將裁成合適尺寸和形狀的質(zhì)子交換膜置于催化電極之間組成膜-電極三合一組件（MEA），組裝成電池，在兩側(cè)通入燃料和氧化劑即可輸出電流。本作品技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)：1）采用分子剛?cè)嵝圆町愋暂^大的單體并結(jié)合多嵌段聚合工藝，可有效地控制聚合物主鏈的剛?cè)嵝约坝H水磺酸基團(tuán)的排列和分布，使得澆鑄制備的質(zhì)子交換膜易形成親水-疏水微相分離結(jié)構(gòu)，有利于提高膜材料的綜合性能； 2）所選用的原料均已商業(yè)化且價(jià)格便宜，大大降低了生產(chǎn)成本。使用范圍及推廣前景：1）與國(guó)內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品相比性價(jià)比較高，更適合中國(guó)國(guó)情；2）可廣泛應(yīng)用于中低溫快速啟動(dòng)的、以甲醇或氫氣為燃料的便攜式設(shè)備電源、可移動(dòng)動(dòng)力電源，也可應(yīng)用于大中型家庭熱電聯(lián)用裝置；3）可用于電滲析、氯堿化工、離子交換及超純水制備等領(lǐng)域。 經(jīng)濟(jì)效益分析和預(yù)測(cè)：采用的材料為價(jià)格低廉的工業(yè)級(jí)無氟材料，合成工藝成熟簡(jiǎn)單，合成的膜每平方米的成本為60元左右，僅為商業(yè)化全氟膜（DuPont，Nafion 112膜）市場(chǎng)價(jià)格的1.5%。

同類課題研究水平概述

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）技術(shù)是新能源技術(shù)的重要組成部分之一。質(zhì)子交換膜（PEM）是PEMFC的核心部件之一，對(duì)電池的性能、成本及壽命有決定性作用。由于商業(yè)化的含氟類PEM材料制備工藝復(fù)雜、成本高且使用溫度低，開發(fā)高性價(jià)比的碳?xì)湎礟EM是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。其中磺化聚芳醚砜（SPAES）以原料來源廣泛、工藝成熟、機(jī)械性能好、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)成為PEM材料的候選者之一。 Ueda等（Macromolecules. 23: 926-930）采用帶有二磺化的4,4’-二氯二苯砜（DSDCPS）與雙酚A聚合首先制備了SPAES。McGrath研究組是最早研究SPAES的團(tuán)隊(duì)之一，采用直接聚合的方式，實(shí)現(xiàn)了聚合物的離子交換容量和磺酸基排列的精確控制，避免了后磺化方法中降解和交聯(lián)問題。他們還通過嵌段共聚的方式制備了一系列呈現(xiàn)納米級(jí)親水-疏水微相分離結(jié)構(gòu)的SPAES膜（Polymer. 47: 4132–4139），表現(xiàn)出更高的質(zhì)子傳導(dǎo)率和各向異性的溶脹性能。Watanabe等（J. Am. Chem. Soc.. 129: 3879-3887）通過改變非磺化二酚單體的結(jié)構(gòu)來研究SPAES的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，表明膜的吸水率、質(zhì)子傳導(dǎo)率對(duì)聚合物分子結(jié)構(gòu)依賴性高。劉惠玲等（J. Appl. Polym. Sci.. 114: 304–312）制備了離子交換容量為2.01meq/g的SPAES，顯示了比Nafion112更高的質(zhì)子傳導(dǎo)率和更小的甲醇透過率。那輝等（J. Membr. Sci.. 285: 239–248）研究了SPAES中不同二酚結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)異丁基二氫醌容易形成親水性通道，顯示了更高的質(zhì)子傳導(dǎo)率。謝曉峰等（J. Membr. Sci.. 2009, 335: 13–20）利用含有可聚合的二乙烯基團(tuán)的二酚單體，通過乙烯基的聚合交聯(lián)作用，制備了交聯(lián)型SPAES，膜材料顯示了較小的尺寸變化率和甲醇透過率。為改善SPAES的質(zhì)子傳導(dǎo)率及穩(wěn)定性，目前采用的主要方式有：嵌段共聚、交聯(lián)、共混改性和納米材料摻雜等。因此，我們采用嵌段共聚的方式來促進(jìn)質(zhì)子交換膜中納米級(jí)親水-疏水微相分離結(jié)構(gòu)的形成，并選擇合適的單體來控制聚合物分子主鏈的剛?cè)嵝砸蕴岣吣さ姆€(wěn)定性和質(zhì)子傳導(dǎo)率。且采用價(jià)廉易得的工業(yè)級(jí)原料，制備的質(zhì)子交換膜材料性價(jià)比高，將有良好的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益。
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